[發明專利]一種基于FPGA的低空目標跟蹤系統

在審

• 申請號: 201710497478.3
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107341760A
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 劉廣東;張曾洋;石國帥;宋峙峰;劉璐楊;許靜雯;徐川
• 申請（專利權）人: 北京計算機技術及應用研究所
• 主分類號: G06T1/20
• 分類號: G06T1/20;G06T5/00;G06T7/136;G06T7/194;H04N19/436;H04N19/80
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心11011
• 代理人: 張然

1.一種基于FPGA的低空目標跟蹤系統，包括：圖像采集模塊、預處理模塊、目標分割模塊、目標定位模塊、通信模塊和云臺控制模塊；

圖像采集模塊，用于對視頻解碼芯片進行初始化配置，配置成功后，視頻解碼芯片輸出像素同步時鐘和視頻數據；圖像采集模塊對視頻解碼芯片總線上的數據格式解碼提取視頻場、行及有效像素數據，并從中取出像素灰度值；

圖像采集模塊將像素灰度值和灰度時鐘輸出給預處理模塊，在預處理模塊內將數據存入兩級FIFO緩存，將要處理的像素及其鄰域值寄存，組成濾波窗口，每個灰度時鐘更新一次FIFO及寄存器內數據，由此得到新的濾波窗口，濾波窗口內數據經排序和選擇運算得到濾波中值；

目標分割模塊，用于進行子窗口區域平均灰度值計算、動態雙閾值計算以及二值化分割；

目標定位模塊，用于進行形心計算和預測；

通信模塊，用于將目標形心坐標發送，發送形心坐標的時間是在前一幀圖像處理完畢和后一幀采集開始之前的間隙之間執行，不影響視頻圖像采集和處理的時間；

云臺控制模塊，用于根據目標的形心位置，控制云臺轉動，將目標控制在攝像機的視野中心。

2.如權利要求1所述的基于FPGA的低空目標跟蹤系統，其特征在于，預處理模塊的濾波過程具體包括：

選取一個3×3的窗口，然后對窗口內數據排序取中值；

步驟1：將3×3窗口中每一列3個數據分別按升序排列，每一列3個數值的最小值放新的3×3窗口的第一行，每一列的中值放在第二行，每一列的最大值放在第三行，得到一個新的3×3窗口；

步驟2：求經步驟1計算后的3×3窗口第一行數據中最大值，第二行數據的中值，第三行數據的最小值；

步驟3：求步驟2計算輸出的三個值的中值，即為3×3窗口的中值。

3.如權利要求1所述的基于FPGA的低空目標跟蹤系統，其特征在于，目標分割模塊，對目標分割之前，先在圖像中選取一個跟蹤子窗口，只處理跟蹤子窗口內的圖像，認為子窗口外區域為背景區域，以排除地面物體干擾，平均灰度計算是使用一個32位寬的寄存器存儲灰度值累加和，24位寬的寄存器存儲像素個數，一幀圖像采集完后，通過一次除法運算即得到子窗口區域平均灰度值，得到平均灰度值以后，由平均灰度值加調整因子得到閾值上限，平均灰度值減去調整因子得到閾值下限，閾值上限和閾值下限作為下一幀的分割閾值；二值化分割，是將介于閾值下限和閾值上限之間的區域被劃分為背景區域，將背景區域像素值用0表示；大于閾值上限和小于閾值下限的區域被劃分為目標區域，將目標區域像素值用255表示，通過背景區域和目標區域劃分即得到二值化圖像，二值化分割后將得到二值化圖像輸出。

4.如權利要求1所述的基于FPGA的低空目標跟蹤系統，其特征在于，系統功能集成在一片FPGA內實現，各模塊間并行工作，FPGA外接100MHz晶振，通過內部鎖相環PLL倍頻至200MHz作為處理模塊主時鐘。

5.如權利要求1所述的基于FPGA的低空目標跟蹤系統，其特征在于，圖像采集模塊通過模擬I2C總線對視頻解碼芯片。

6.如權利要求1所述的基于FPGA的低空目標跟蹤系統，其特征在于，視頻解碼芯片輸出27MHz像素同步時鐘和ITU656YUV4:2:2格式視頻數據。

7.如權利要求1所述的基于FPGA的低空目標跟蹤系統，其特征在于，圖像采集模塊通過摩爾狀態機實現對視頻解碼芯片總線上的數據格式解碼提取視頻場、行及有效像素數據，并從中取出像素灰度值，灰度時鐘為13.5MHz，灰度圖像分辨率大小為720×576。

8.如權利要求1所述的基于FPGA的低空目標跟蹤系統，其特征在于，預處理模塊采用兩個行緩存FIFO設計生成3×3像素的濾波窗口，FIFO的深度設置為與每行圖像的像素點個數相同的720，每個像素的灰度值的范圍為0～255，圖像采集模塊將像素灰度值和13.5MHz灰度時鐘輸出給預處理模塊，在預處理模塊內將數據存入兩級FIFO緩存，將要處理的像素及其鄰域8個值寄存，組成一個3×3像素的濾波窗口，每個灰度時鐘更新一次FIFO及寄存器內數據，由此得到新的3×3濾波窗口內的9個數據，濾波窗口內9個數據經排序和選擇運算得到濾波中值，完成一次中值操作時間為20ns，小于一個像素采集周期的74ns，像素采集和濾波操作同步完成。